低頻脈沖磁場金屬凝固晶粒細(xì)化機(jī)理研究

低頻脈沖磁場金屬凝固晶粒細(xì)化機(jī)理研究低頻脈沖磁場能夠有效細(xì)化凝固晶粒,由于脈沖磁場作用過程實驗驗證難度大,尚有很多機(jī)理值得探索研究；要實現(xiàn)低頻脈沖磁場細(xì)晶技術(shù)的工業(yè)化,必須對低頻脈沖磁場細(xì)化凝固晶粒機(jī)理進(jìn)行深入研究。本文利用數(shù)學(xué)解析法、數(shù)值模擬方法和熱態(tài)澆注實驗等手段,建立任意波形脈沖磁場電磁力計算通用模型；將傅里葉級數(shù)變換法應(yīng)用于脈沖磁場熔體運(yùn)動模型,建立多周期的非穩(wěn)態(tài)磁流體運(yùn)動模型；為了改善溫度方程收斂性將分段函數(shù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)性函數(shù),建立脈沖磁場下金屬凝固模型和小潤濕角下脈沖磁場的形核模型,并與熱態(tài)澆注實驗結(jié)果進(jìn)行對比校核。利用以上建立的模型,對比研究了時諧磁場與低頻脈沖磁場的電磁力、熔體運(yùn)動和凝固過程差異性,得到了低頻脈沖磁場的電磁力特性、熔體運(yùn)動特性和凝固特性以及凝固形核的影響。在此基礎(chǔ)上,提出了低頻脈沖磁場下枝晶破碎細(xì)化晶粒模型。研究成果概括如下：1.低頻脈沖電磁力特性(1)與時諧磁場相比,脈沖磁場電磁力具有極值大和間歇性主要特征。與單一脈沖磁場相比,復(fù)合磁場電磁力極值更大,作用時間的延長,可有效增加電磁力作用深度,進(jìn)一步強(qiáng)化對金屬凝固過程的作用。(2)與VivesC的電磁振蕩作用不同,每個周期內(nèi)脈沖磁場電磁壓力平均沖量是電磁拉力平均沖量的99倍。數(shù)值計算結(jié)果中脈沖磁場下熔體內(nèi)部沒有發(fā)生振蕩的現(xiàn)象,也進(jìn)一步證實此結(jié)果。2.低頻脈沖磁場熔體運(yùn)動特性(1)脈沖磁場下熔體運(yùn)動由兩個上下不對稱的渦流構(gòu)成,在多周期后呈現(xiàn)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程。脈沖磁場下熔體速度隨著脈沖磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而線性增加。隨著脈沖頻率和脈沖作用時間r的增加,熔體速度不斷增加。當(dāng)t=0.1s時,脈沖磁場下電磁力作用不存在間歇期,熔體穩(wěn)態(tài)速度約為1.4m·s-1,與時諧磁場下相同。(2)脈沖磁場下熔體速度的周期波動是脈沖磁場的主要特征之一。雖然脈沖磁場穩(wěn)態(tài)平均速度0.47m·s-1遠(yuǎn)小于時諧磁場的穩(wěn)態(tài)平均速度約為1.4m·s-1’,但是脈沖磁場速度波動相對幅度20%遠(yuǎn)大于時諧磁場的0.67%。脈沖磁場下熔體速度的波動相對幅度大,既能引起高次枝晶的生長,又能增加枝晶破碎的幾率。3.低頻脈沖磁場金屬凝固特性(1)將脈沖磁場凝固傳熱流動模型與熱態(tài)澆注溫度實驗結(jié)果校核,誤差小于10%。時諧磁場下凝固初期熔體溫度梯度0.1K·mm-1小于脈沖磁場凝固初期溫度梯度0.4K·mm-1。但比較整個凝固過程的平均溫度梯度,時諧磁場的1.1K·mm-1大于脈沖磁場的0.9K·mmmq。另外,凝固階段脈沖磁場對熔體的有效作用時間為80s,是時諧磁場有效作用時間40s的2倍。(2)定量計算了焦耳熱與熔體顯熱、凝固潛熱的比值分別為4.63×10-7、2.22×10-3,故脈沖磁場焦耳熱對金屬熔體溫度和凝固過程的影響可以忽略不計。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增加,凝固冷卻速率G×V值先減小后增大,當(dāng)B=0.1T時,GxV值最大,相應(yīng)地晶粒度最?。浑S著脈沖頻率的增加,凝固冷卻速率GxV值先增大后減小,當(dāng)f=5Hz時,GxV值最大。當(dāng)B=0.1T和f=5Hz,凝固晶粒度最小。4.低頻脈沖磁場細(xì)化機(jī)理模型及工業(yè)應(yīng)用分析(1)強(qiáng)脈沖磁場對臨界過冷度和臨界形核半徑影響較大,而弱脈沖磁場對臨界形核半徑和臨界形核過冷度影響可不計,說明低頻脈沖磁場對金屬凝固熱力學(xué)影響可不計。(2)建立了不考慮焦耳熱影響的脈沖磁場枝晶破碎細(xì)化機(jī)理模型。脈沖磁場細(xì)晶機(jī)理歸根于脈沖磁場瞬時電磁力極值特性增加了枝晶破碎概率,同時脈沖磁場作用下熔體運(yùn)動使得溫度梯度更加均勻,凝固生長速率增加,使枝晶碎片在熔體區(qū)域的存活率增加。脈沖磁場作用下,單位時間獲得的等軸晶數(shù)目N為：Nt=Nd·Φ(M),(3)基于枝晶破碎機(jī)理,提出脈沖磁場細(xì)晶技